JP7276035B2 - hydrodynamic bearing - Google Patents
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Description
本発明は、動圧軸受に関する。 The present invention relates to a hydrodynamic bearing.
従来、気体軸受として、回転軸の外周側に配置される薄板状のトップフォイルと、トップフォイルの外周側に配置され、トップフォイルを弾性支持するバンプフォイルとを備えるフォイル軸受が知られている(例えば、特許文献1参照)。こうしたフォイル軸受では、回転軸の回転数の上昇に伴って、回転軸とトップフォイルとの間に空気が流入することで、これらの間に空気膜が形成される。フォイル軸受は、上記空気膜によって回転軸をトップフォイルの内周面から浮上させることで回転軸を非接触状態で支持する。トップフォイルは、上記空気膜の動圧によって外周側に押圧される一方、バンプフォイルによって外周側から弾性支持される。このため、回転軸とトップフォイルとの隙間が回転軸の回転数に応じて自動的に調整される。 Conventionally, as a gas bearing, there is known a foil bearing that includes a thin plate-shaped top foil arranged on the outer peripheral side of a rotating shaft and a bump foil arranged on the outer peripheral side of the top foil and elastically supporting the top foil ( For example, see Patent Document 1). In such a foil bearing, as the rotational speed of the rotating shaft increases, air flows between the rotating shaft and the top foil, forming an air film therebetween. The foil bearing supports the rotating shaft in a non-contact state by floating the rotating shaft from the inner peripheral surface of the top foil by the air film. The top foil is pressed toward the outer periphery by the dynamic pressure of the air film, while being elastically supported from the outer periphery by the bump foil. Therefore, the gap between the rotating shaft and the top foil is automatically adjusted according to the rotating speed of the rotating shaft.
ところで、こうしたフォイル軸受において、回転軸を非接触状態で安定して支持するためには、回転軸とトップフォイルとの隙間が適切に維持される必要がある。ところが、回転軸の回転数を高くし過ぎると、上記空気膜の動圧の増大によって、回転軸とトップフォイルとの隙間が大きくなり過ぎることで、回転軸の振れ回りが生じやすくなる。このため、回転軸を安定して支持することのできる回転数の上限値には自ずと限界がある。 By the way, in such a foil bearing, in order to stably support the rotating shaft in a non-contact state, it is necessary to maintain an appropriate gap between the rotating shaft and the top foil. However, if the rotational speed of the rotating shaft is too high, the gap between the rotating shaft and the top foil becomes too large due to the increase in the dynamic pressure of the air film, and whirling of the rotating shaft tends to occur. Therefore, there is naturally a limit to the upper limit of the rotational speed at which the rotating shaft can be stably supported.
本発明の目的は、回転軸を安定して支持することのできる回転数の上限値を高めることのできる動圧軸受を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a hydrodynamic bearing capable of increasing the upper limit of the number of revolutions at which a rotating shaft can be stably supported.
上記目的を達成するための動圧軸受は、回転軸の外周側に配置されるトップフォイルと、前記トップフォイルの外周側に配置され、前記トップフォイルを弾性支持するバンプフォイルと、前記バンプフォイルの外周側に配置され、前記バンプフォイルを支持するハウジングと、を備え、前記回転軸の回転に伴って前記回転軸と前記トップフォイルとの隙間に発生する空気膜の動圧によって前記回転軸を支持するものであり、前記トップフォイルには、前記トップフォイルの内外を連通する連通孔、及び前記動圧の増大に応じて開弁することで前記連通孔を開放する弁体を有する弁が設けられている。 A dynamic pressure bearing for achieving the above object comprises: a top foil arranged on the outer peripheral side of a rotating shaft; a bump foil arranged on the outer peripheral side of the top foil and elastically supporting the top foil; a housing that is arranged on the outer peripheral side and supports the bump foil, and the rotating shaft is supported by dynamic pressure of an air film generated in a gap between the rotating shaft and the top foil as the rotating shaft rotates. The top foil is provided with a communication hole that communicates the inside and outside of the top foil, and a valve that opens the communication hole by opening in response to an increase in the dynamic pressure. ing.
同構成によれば、回転軸の回転数の上昇に応じて上記空気膜の動圧が増大すると、当該動圧の増大に応じて弁体が開弁することで連通孔が開放される。これにより、上記動圧がトップフォイルの外周側に逃げるため、上記動圧が増大し過ぎることを抑制できる。これにより、上記隙間が大きくなり過ぎることを抑制できることから、回転軸の振れ回りを抑制できる。したがって、回転軸を安定して支持することのできる回転数の上限値を高めることができる。 According to this configuration, when the dynamic pressure of the air film increases as the rotational speed of the rotating shaft increases, the valve element opens in response to the increase in dynamic pressure, thereby opening the communication hole. As a result, since the dynamic pressure escapes to the outer peripheral side of the top foil, it is possible to prevent the dynamic pressure from increasing excessively. As a result, it is possible to prevent the gap from becoming too large, thereby suppressing whirling of the rotating shaft. Therefore, it is possible to increase the upper limit of the rotational speed at which the rotating shaft can be stably supported.
以下、図1~図5を参照して、動圧軸受の一実施形態について説明する。
図1に示すように、動圧軸受10は、回転軸50の外周側に配置された筒状のトップフォイル20と、トップフォイル20の外周側であって、トップフォイル20の軸線方向に互いに間隔をおいて配置され、トップフォイル20を弾性支持する複数のバンプフォイル30とを備えている。本実施形態では、2つのバンプフォイル30が設けられている。
An embodiment of a hydrodynamic bearing will be described below with reference to FIGS. 1 to 5. FIG.
As shown in FIG. 1 , the dynamic pressure bearing 10 includes a
各バンプフォイル30の外周側には、各バンプフォイル30の外周面を支持する円筒状のハウジング40が設けられている。本実施形態の動圧軸受10は、回転軸50の回転に伴って回転軸50とトップフォイル20との隙間に発生する空気膜の動圧によって、回転軸50を非接触状態でラジアル方向に支持するものである。
A
本実施形態における回転軸50の回転方向は、図2における時計回りの方向である。なお、以降において、回転軸50の回転方向を回転方向Xと称する。また、トップフォイル20の中心軸線Cが延びる方向を軸線方向と称し、中心軸線Cを中心とする周方向を単に周方向と称する。
The rotation direction of the
<トップフォイル20>
図1及び図2に示すように、トップフォイル20は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。トップフォイル20の周方向における一端及び他端には、保持端21及び自由端22がそれぞれ設けられている。保持端21は、外周側に向かって突出するとともに、ハウジング40の内周面に形成された凹溝41内に挿入されて保持されている。自由端22は、周方向において保持端21との間に隙間を有している。トップフォイル20は、全体として略円筒状をなしている。回転軸50の非回転時において、回転軸50の外周面と、トップフォイル20の内周面とは当接している。
<
As shown in FIGS. 1 and 2, the
トップフォイル20には、トップフォイル20の内外を連通する連通孔24と、連通孔24を閉鎖及び開放する弁体25とを有する複数の弁23が設けられている。弁体25は、連通孔24を閉鎖する一方、上記空気膜の動圧の増大に応じて開弁することで連通孔24を開放する。本実施形態では、3つの弁23が周方向に互いに間隔をおいて設けられている。
The
各弁23は、トップフォイル20のうち軸線方向における各バンプフォイル30の間の部分に設けられている。各弁23のうち、1つの弁23は、トップフォイル20の中心軸線Cを挟んで保持端21とは反対側の部分に設けられている。
Each
弁体25は、トップフォイル20に形成された切片である。したがって、弁体25は、トップフォイル20と一体に形成されている。弁体25は、周方向においてトップフォイル20に沿って自由端22側から保持端21側に向かって延びている。すなわち、弁体25は、回転方向Xの後側から前側に向かって延びている。なお、弁体25の幅、すなわち、軸線方向における長さは周方向において一定である。
The
弁体25は、上記空気膜の動圧が所定の動圧になるまでは、連通孔24を閉鎖している。このとき、弁体25の軸線方向における両端縁と、連通孔24の縁との間には、周方向に沿って延びる微少な切り込みが形成されている。また、弁体25の周方向における保持端21側の縁、すなわち先端縁と、連通孔24の縁との間には、軸線方向に沿って延びる微少な切り込みが形成されている。
The
以上のことから、弁体25は、弁体25のうち周方向における自由端22側の部分を起点としてトップフォイル20の外周側に変形して開弁する。
<バンプフォイル30>
バンプフォイル30は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。バンプフォイル30は、周方向に等間隔にて設けられ、内周側に向かって突出した複数の山部33と、互いに隣り合う山部33の間に1つずつ設けられた谷部34とを有している。各山部33の軸線方向に直交する断面形状は半円形状をなしている。各谷部34の軸線方向に直交する断面形状は、ハウジング40の内周面に沿った円弧状をなしている。
As described above, the
<
The
バンプフォイル30の各山部33がトップフォイル20の外周面に当接することにより、トップフォイル20が弾性支持されている。
バンプフォイル30の周方向における一端及び他端には、保持端31及び自由端32がそれぞれ設けられている。保持端31は、外周側に向かって突出するとともに、トップフォイル20の保持端21に重ね合わされた状態でハウジング40の凹溝41内に挿入されて保持されている。したがって、凹溝41内には、トップフォイル20の保持端21、及びバンプフォイル30の保持端31が重ね合わされた状態で挿入されている。これにより、トップフォイル20、及びバンプフォイル30がハウジング40内において回り止めされた状態で保持されている。自由端32は、周方向において保持端31との間に隙間を有している。なお、自由端32は、1つの谷部34により構成されている。
The
A retained
本実施形態の作用について説明する。
図2に示すように、回転軸50の非回転時には、回転軸50の外周面とトップフォイル20の内周面とが当接している。このとき、トップフォイル20のうち、中心軸線Cを挟んで保持端21とは反対側の部分は、自重によりバンプフォイル30に当接している。
The operation of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 2, when the rotating
図3に示すように、回転軸50の回転数が上昇すると、回転軸50の外周面とトップフォイル20の内周面との隙間に発生する空気膜の動圧が高められる。これにより、トップフォイル20が上記動圧により外周側に拡大するため、トップフォイル20の保持端21が、ハウジング40の凹溝41内において外周側に変位する。
As shown in FIG. 3, when the rotational speed of the
図4に示すように、回転軸50の回転数が更に上昇すると、上記動圧によってトップフォイル20が外周側に拡大することで、トップフォイル20の外周面とバンプフォイル30の各山部33とが当接する。このとき、各山部33は外周側に弾性変形する。これにより、トップフォイル20の外周面には、バンプフォイル30による内周側に向かう押圧力が作用する。また、トップフォイル20の内周面には、上記動圧に基づく外周側に向かう力が作用する。これらの力の釣り合いにより、回転軸50の外周面とトップフォイル20の内周面との隙間が適切に調整される。これにより、回転軸50がトップフォイル20の内周面から浮上した状態、すなわち、非接触状態で回転可能に支持される。
As shown in FIG. 4, when the rotation speed of the
図5に二点鎖線にて示すように、回転軸50の回転数が更に上昇すると、弁体25が開弁することで連通孔24が開放される。これにより、上記動圧がトップフォイル20の外周側に逃げるため、上記動圧が増大し過ぎることを抑制できる。これにより、上記隙間が大きくなり過ぎることを抑制できることから、回転軸50の振れ回りを抑制できる。
As indicated by the two-dot chain line in FIG. 5, when the rotational speed of the
本実施形態の効果について説明する。
(1)動圧軸受10は、回転軸50の外周側に配置されるトップフォイル20と、トップフォイル20の外周側に配置され、トップフォイル20を弾性支持するバンプフォイル30と、バンプフォイル30の外周側に配置され、バンプフォイル30を支持するハウジング40とを備える。トップフォイル20には、トップフォイル20の内外を連通する連通孔24、及び回転軸50とトップフォイル20との隙間に発生する空気膜の動圧の増大に応じて開弁することで連通孔24を開放する弁体25を有する弁23が設けられている。
Effects of the present embodiment will be described.
(1) The dynamic pressure bearing 10 includes a
こうした構成によれば、上記作用を奏することから、回転軸50を安定して支持することのできる回転数の上限値を高めることができる。
(2)弁23は、トップフォイル20のうち中心軸線Cを挟んで保持端21とは反対側の部分に設けられている。
According to such a configuration, the upper limit of the number of revolutions at which the
(2) The
空気膜の動圧は、トップフォイル20のうち中心軸線Cを挟んで保持端21とは反対側の部分において最大となる。
上記構成によれば、トップフォイル20のうち上記動圧が最大となる部分に弁23が設けられているため、当該部分において動圧が過度に増大することを抑制できる。これにより、上記隙間が過度に増大すること、ひいては回転軸50の振れ周りを効果的に抑制できる。
The dynamic pressure of the air film is maximized at a portion of the
According to the above configuration, since the
(3)複数の弁23が、トップフォイル20の周方向に互いに間隔をおいて設けられている。
こうした構成によれば、トップフォイル20の周方向における広い範囲で空気膜の動圧が過度に増大することを抑制できる。これにより、上記隙間が過度に増大すること、ひいては回転軸50の振れ回りを効果的に抑制できる。
(3) A plurality of
According to such a configuration, it is possible to suppress an excessive increase in the dynamic pressure of the air film over a wide range in the circumferential direction of the
(4)弁体25は、トップフォイル20に形成された切片である。
こうした構成によれば、トップフォイル20に切り込みを形成することで連通孔24及び弁体25が同時に形成される。このため、弁体25がトップフォイル20とは別体として形成される場合に比べて、トップフォイル20、ひいては動圧軸受10の構成を簡単にすることができる。
(4) The
According to such a configuration, the
(5)弁体25は、弁体25のうち周方向における自由端22側の部分を起点としてトップフォイル20の外周側に変形して開弁する。
動圧軸受10において、回転軸50は、周方向においてトップフォイル20に沿って自由端22側から保持端21側に向かって回転する。このため、回転軸50とトップフォイル20との隙間に流入する空気は、上記周方向においてトップフォイル20に沿って自由端22側から保持端21側に向かって流れる。これにより、弁体25の周方向における自由端22側の部分よりも保持端21側の部分に対して空気膜の動圧が作用しやすくなる。
(5) The
In the
上記構成によれば、空気膜の動圧が弁体25の先端側に対して作用しやすくなる。これにより、弁体25がトップフォイル20の外周側に向かって変形しやすくなり、弁体25を円滑に開弁させることができる。
According to the above configuration, the dynamic pressure of the air film tends to act on the tip side of the
(6)トップフォイル20の外周側には、複数のバンプフォイル30がトップフォイル20の軸線方向に互いに間隔をおいて配置されている。弁23は、トップフォイル20のうち軸線方向における各バンプフォイル30の間の部分に設けられている。
(6) A plurality of bump foils 30 are arranged on the outer peripheral side of the
こうした構成によれば、トップフォイル20の外周側に、複数のバンプフォイル30がトップフォイル20の軸線方向に互いに間隔をおいて配置されている。そして、トップフォイル20のうち軸線方向における各バンプフォイル30の間の部分に弁23が設けられている。このため、弁体25が開弁する際にバンプフォイル30に干渉しないことから、バンプフォイル30とは無関係に弁23の形成範囲を周方向において拡大することができる。これにより、上記空気膜の動圧による弁23の開度を調整することができる。
According to such a configuration, a plurality of bump foils 30 are arranged on the outer peripheral side of the
<変更例>
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
<Change example>
This embodiment can be implemented with the following modifications. This embodiment and the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
なお、以下の図6及び図7に示す第1変更例及び第2変更例において、上記実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すとともに、対応する構成については「100」及び「200」を加算した符号を付すことにより、重複した説明を省略する。 In addition, in the first modification and the second modification shown in FIGS. 6 and 7 below, the same configurations as in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the corresponding configurations are denoted by "100" and "200". ” is added to omit redundant description.
・トップフォイル20の外周側に3つ以上のバンプフォイル30を軸線方向に互いに間隔をおいて配置することもできる。
・図6に示すように、トップフォイル120の外周側に、トップフォイル120の軸線方向の長さと同一の長さを有する1つのバンプフォイル130を配置するとともに、周方向におけるバンプフォイル130の山部133同士の間に弁123を設けることもできる。
- It is also possible to arrange three or more bump foils 30 on the outer peripheral side of the
・As shown in FIG. 6, one
・弁体25は、周方向においてトップフォイル20に沿って保持端21側から自由端22側に向かって延びるものであってもよい。この場合、弁体25は、トップフォイル20のうち連通孔24よりも保持端21側の部分を起点としてトップフォイル20の外周側に変形して開弁する。
- The
・弁は、1つの連通孔24における保持端21側の縁部及び自由端22側の縁部をそれぞれ起点とするとともに、先端部同士が突き合わされる一対の弁体を有するものであってもよい。
The valve may have a pair of valve bodies whose starting points are the edge on the holding
・弁体25は、軸線方向における一方側から他方側に向かって延びるものであってもよいし、軸線方向における他方側から一方側に向かって延びるものであってもよい。
・本実施形態では、弁体25はトップフォイル20と一体に形成されるものであったが、トップフォイル20とは別体であって、連通孔24を閉鎖及び開放する弁体を採用することもできる。この場合、上記弁体は、連通孔24よりも周方向における自由端22側の部分を起点としてトップフォイル20の外周側に変形するものであってもよい。
- The
- In this embodiment, the
・弁23の数や、形成位置は適宜変更することができる。
・弁体25の幅、すなわち、軸線方向における長さは先端側ほど大きくなっていてもよいし、先端側ほど小さくなっていてもよい。
- The number of
- The width of the
・弁23は、トップフォイル20の中心軸線Cを挟んで保持端21とは反対側の部分に設けられていなくてもよい。
・図7に示すように、トップフォイル220は、軸線方向に互いに間隔をおいて設けられた複数の弁223を有するものであってもよい。特に、軸線方向に互いに間隔をおいて形成された複数のヘリンボーン溝251を有する回転軸250を支持する場合には、上記ヘリンボーン溝251の頂部252に対応する部分に各弁223を設けることが好ましい。本変更例では、各ヘリンボーン溝251の頂部252に対応する部分において、3つの弁223が周方向に互いに間隔をおいて設けられている。したがって、本変更例では、都合6つの弁223が設けられている。こうした構成によれば、回転軸250とトップフォイル220との隙間において動圧が最も高くなる頂部252にて、上記動圧が過度に増大することを抑制できる。したがって、回転軸250を安定して支持することができる。
- The
• As shown in Figure 7, the
10…動圧軸受、20…トップフォイル、21…保持端、22…自由端、23…弁、24…連通孔、25…弁体、30…バンプフォイル、31…保持端、32…自由端、33…山部、34…谷部、40…ハウジング、41…凹溝、50…回転軸、120…トップフォイル、123…弁、130…バンプフォイル、133…山部、134…谷部、220…トップフォイル、223…弁、250…回転軸、251…ヘリンボーン溝、252…頂部。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記トップフォイルの外周側に配置され、前記トップフォイルを弾性支持するバンプフォイルと、
前記バンプフォイルの外周側に配置され、前記バンプフォイルを支持するハウジングと、を備え、
前記回転軸の回転に伴って前記回転軸と前記トップフォイルとの隙間に発生する空気膜の動圧によって前記回転軸を支持する動圧軸受において、
前記トップフォイルには、前記トップフォイルの内外を連通する連通孔と、前記連通孔を覆う弁体と、を有する弁が設けられており、
前記弁体は、前記トップフォイルに形成された切片であり、前記切片が揺動することにより変形して開弁及び閉弁するものであり、
前記弁体の開度は、前記動圧の増大に応じて大きくなる一方、前記動圧の減少に応じて小さくなる、
動圧軸受。 A top foil arranged on the outer peripheral side of the rotating shaft;
a bump foil disposed on the outer peripheral side of the top foil and elastically supporting the top foil;
a housing arranged on the outer peripheral side of the bump foil and supporting the bump foil;
A dynamic pressure bearing that supports the rotating shaft by dynamic pressure of an air film generated in a gap between the rotating shaft and the top foil as the rotating shaft rotates,
The top foil is provided with a valve having a communication hole communicating between the inside and outside of the top foil and a valve body covering the communication hole,
The valve body is a piece formed on the top foil, and is deformed by rocking the piece to open and close the valve,
The degree of opening of the valve body increases as the dynamic pressure increases, and decreases as the dynamic pressure decreases.
hydrodynamic bearing.
前記トップフォイルの外周側に配置され、前記トップフォイルを弾性支持するバンプフォイルと、
前記バンプフォイルの外周側に配置され、前記バンプフォイルを支持するハウジングと、を備え、
前記回転軸の回転に伴って前記回転軸と前記トップフォイルとの隙間に発生する空気膜の動圧によって前記回転軸を支持する動圧軸受において、
前記トップフォイルには、前記トップフォイルの内外を連通する連通孔と、前記連通孔を覆う弁体と、を有する弁が設けられており、
前記トップフォイルは、その周方向における一端及び他端に、前記ハウジングの内周面に保持される保持端及び自由端がそれぞれ設けられており、
前記弁体は、前記弁体のうち前記周方向における前記トップフォイルの自由端側の部分を起点として前記トップフォイルの外周側に変形して開弁し、前記開弁した状態から前記トップフォイルの内周側に変形して閉弁するものであり、
前記弁体の開度は、前記動圧の増大に応じて大きくなる一方、前記動圧の減少に応じて小さくなる、
動圧軸受。 A top foil arranged on the outer peripheral side of the rotating shaft;
a bump foil disposed on the outer peripheral side of the top foil and elastically supporting the top foil;
a housing arranged on the outer peripheral side of the bump foil and supporting the bump foil;
A dynamic pressure bearing that supports the rotating shaft by dynamic pressure of an air film generated in a gap between the rotating shaft and the top foil as the rotating shaft rotates,
The top foil is provided with a valve having a communication hole communicating between the inside and outside of the top foil and a valve body covering the communication hole,
The top foil is provided with a holding end and a free end held on the inner peripheral surface of the housing at one end and the other end in the circumferential direction, respectively,
The valve body is deformed toward the outer peripheral side of the top foil with a portion of the valve body on the free end side of the top foil in the circumferential direction as a starting point, and the valve is opened from the open state. It deforms to the inner peripheral side and closes,
The degree of opening of the valve body increases as the dynamic pressure increases, and decreases as the dynamic pressure decreases.
hydrodynamic bearing.
請求項2に記載の動圧軸受。 wherein the valve body is a segment formed on the top foil;
The hydrodynamic bearing according to claim 2 .
前記弁は、前記トップフォイルのうち前記トップフォイルの中心軸線を挟んで前記保持端とは反対側の部分に設けられている、
請求項1~3のいずれか一項に記載の動圧軸受。 One end of the top foil in the circumferential direction is provided with a holding end held on the inner peripheral surface of the housing,
The valve is provided in a portion of the top foil on the opposite side of the holding end across the central axis of the top foil,
The hydrodynamic bearing according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1~4のいずれか一項に記載の動圧軸受。 a plurality of said valves are spaced from each other in the circumferential direction of said top foil;
The hydrodynamic bearing according to any one of claims 1-4 .
前記弁は、前記トップフォイルのうち前記軸線方向における前記バンプフォイルの各々の間の部分に設けられている、
請求項1~請求項5のいずれか一項に記載の動圧軸受。 A plurality of the bump foils are arranged on the outer peripheral side of the top foil at intervals in the axial direction of the top foil,
The valve is provided in a portion of the top foil between each of the bump foils in the axial direction.
The hydrodynamic bearing according to any one of claims 1 to 5.
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